河南科技大学
2011年硕士研究生入学考试试题答案及评分标准
考试科目代码： 814 考试科目名称： 材料科学基础B
一、名词解释（共20分，每小题2分）
1) 配位数：是指晶体中与任一个原子最近邻、并且等距离的原子数。

2) 过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。

3) 非均匀形核：晶核在母相中不均一处择优（非自发）形核。

4) 变质处理：在浇铸时向液态金属中加入形核剂，以达到细化晶粒的目的处理。

5) 热变形加工：在再结晶温度以上的变形加工。

6) 攀移：刃位错垂直于滑移面的运动。

7) 孪生：是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产生一定角度
的均匀切变。

8) 淬透性：钢获得淬火马氏体的能力。

9) 高温回火脆性：淬火钢在450~600℃高温回火时出现冲击韧性明显下降的现象。

10) 红硬性：钢在高温下保持高硬度的能力。

二、综合分析（共130分）
1. Ni 的晶体结构为面心立方结构，画出其晶胞质点模型。

其原子半径为r=0.1243nm ，Ni 的相
对原子质量为58.69mol g /。

试求Ni 的晶格常数和密度。

（10分） 解：
（3分），nm
r a
3516.02
1243
.042
4
==
=
⨯（3分）；
)/(967.83
23
10
02.63)810516.3(69.58434cm g A
N a
Ni
M ==
=
⨯⨯-⨯⨯⨯ρ （4分）
2. 假设过冷液体中出现一个球形晶胚，证明形核功13
c c G A σ∆=
（c A -临界晶核表面积）。

（10分）
解：σ
ππσ2
33
4
4r G r S G V G v v +∆=
+∆=∆ （1） （3分）
令0=∆dr
G
d ，则v
G c r ∆-=σ
2 （2） （3分）
将（2）式代入（1）式：2
22
424143
33
c c v c c
c v G r G r r A G σππσπσσ⎛
⎫∆=
-
∆+== ⎪∆⎝
⎭ （4分）
3. 面心立方晶格的Cu 的临界分切应力τk 为0.49MPa ，用Cu 单晶体拉伸时，拉伸轴为[]122
晶向。

1) 画出Cu )111(滑移面上的三个滑移方向，写出其晶向指数。

2) 说明该滑移面上哪个滑移系先开动？
3) 引起屈服所需要的拉伸应力是多少？ （共15分） 解：
（5分）
（2）对立方晶系，
晶面（h k l ）法线和晶向(u vw )之间的夹角
cos ϕ=
故滑移面)111(的法线方向与拉力轴[122]的夹角为 27
19
32
12111cos =
=
⋅⨯-⨯+⨯ϕ
两个晶向(u 1 v 1 w 1)和(u 2 v 2 w 2)之间的夹角
2
2
2
22
22
1
2
12
12
12121cos w v u w v u w w v v u u ++++++=
⋅
ϕ
滑移方向]011[或]110[和拉力轴[122]的夹角为18
4cos =λ或-
18
4（取向因子最大，先开
动）
滑移方向[]
101]101[或和拉力轴[122]的夹角为
183cos =
λ或-183 滑移方向[]110或]011[和拉力轴[122]的夹角为 18
1cos =
λ
或-
18
1
，
先开动的滑移系为)111(]011[或]110[ （7分）
（3）MPa k s
7.261.14
6949.0448649.018/427/149
.0cos cos ==⨯==⨯=⋅=
λϕτ
σ
（3分）
4. 金属塑性变形与晶体的滑移、位错运动有何关系？举例说明何谓加工硬化？请用位错理论说
明加工硬化的机理。

（15分）
解：晶体的滑移是金属材料塑性变形的最主要的方式。

滑移的本质是位错运动的结果。

（4分） 随着塑性变形量的增大，材料强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象叫加工硬化3分;例如冷拉钢丝、冷轧钢板。

3分. 随着塑性变形的进行，位错密度急剧增加，位错相遇交割、产生固定割阶，出现位错缠结，形成位错发团，位错之间的相互作用导致位错运动困难，滑移难以进行，塑性变形抗力增大，强度提高。

5分
5. 根据Fe －Fe 3C 相图（图1）回答下列问题： 1) 用组织组成物填写相图各区。

（图画在答题纸上后填
写）
2) 写出三条水平线发生的转变的温度、类型和反应式。

3) 用结晶冷却曲线分析共析钢的平衡结晶过程（标明各
阶段的组织组成物、反应式）。

计算室温下相组成物的相对量
4) 该钢适合制造何类零件或工具，试举一例。

5) 图2中哪个是该成分合金的室温平衡组织（共30分）
图1
A) B) C) D)
图2 铁碳合金室温平衡组织（4％硝酸酒精腐蚀）
解答：（1） （8分）
（2）1495℃ 包晶转变 L+δ→γ； 1148℃ 共晶转变 L → γ+Fe 3C ；
727℃ 共析转变 γ→ + Fe 3C （6分）
t/s
（3） （ 8分）； 相组成为：α+Fe 3C ；
%.588%100%89
.662.95008
.009.667.709.66≈≈⨯=--α，%.51188.5%-1%-1C%Fe 3===α （3分）
（4）形状简单的刀具和冷作磨具 （2分） （5）图2D （3分）
6. 已知直径为10mm 的T8钢试样，A C1：730℃，
1) 画出T8钢的过冷奥氏体等温转变曲线；并将退火、正火、正常淬火、分级淬火和等温淬火
的冷却工艺曲线画在上面，说明加热温度、冷却方式（介质）及得到的组织。

2) 此钢预先热处理一般为什么要采用球化退火工艺？（共20分）
解：
1）（8分）
工艺名称 加热温度 冷却方式 组织 退火 780℃ 炉冷 P v 1
正火 780℃ 空冷 S v 2 正常淬火 780℃ 水冷 M v 3
分级淬火 780℃ 盐浴 M v 4 等温淬火 780
℃ 盐浴 B 下 v 5
（8分）
2）预先热处理采用球化退火的原因是消除网状或粗大碳化物，使碳化物呈颗粒状弥散分布于基体中，从而降低硬度，改善切削加工性；为最终热处理淬火做好组织准备，减小淬火时的变形和开裂。

（4分）
7. 比较钢中的马氏体和回火马氏体、索氏体和回火索氏体的形成条件、相组成、显微组织形态
及性能的异同。

（16分）
t/s
T /℃
解：
8.某车床主轴（直径为30mm）要求有良好的综合力学性能，HRC25～35；轴颈表面要求耐磨
（硬度≥55HRC）。

试为其选用合适的材料（并标明钢号），写出其简明加工路线，并说明每步热处理的目的及轴颈表面及心部的组织。

（共14分）
解：
选用调质钢，如45钢、40Cr。

（2分）
加工路线：
下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴颈感应淬火+低温回火→磨削（2分）
正火目的：改善锻造后的组织，细化、均匀化组织，提高其切削加工性。

（2分）
调质：获得良好的综合力学性能。

（2分）
轴颈感应淬火：提高轴颈表面硬度和耐磨性。

（1分）
低温回火：消除淬火内应力，改善塑性和韧性。

（1分）
轴颈表面组织：M回（2分）
心部组织：S回（2分）。